进气节流对柴油机低负荷性能影响的试验研究

邱伟， 周斌， 张浩， 张钊,2， 何俊杰， 闫嘉楠， 陈彦君

(1. 西南交通大学机械工程学院， 四川 成都 610031； 2. 四川托普信息技术职业学院， 四川 成都 611743)

进气节流对柴油机低负荷性能影响的试验研究

邱伟1， 周斌1， 张浩1， 张钊1,2， 何俊杰1， 闫嘉楠1， 陈彦君1

(1. 西南交通大学机械工程学院， 四川 成都 610031； 2. 四川托普信息技术职业学院， 四川 成都 611743)

在柴油机上加装节流阀是提升小负荷工况排温、改善排放的途径之一，但会对柴油机的其他性能造成影响。本研究通过给柴油机加装节流阀，研究了进气节流对柴油机小负荷工况性能的影响。试验结果表明：进气节流对柴油机的排温和NOx排放提升明显；柴油机进气节流后缸内压力下降，缸内平均燃烧温度、机械效率升高，滞燃期延长，燃烧始点后移；中低转速小负荷工况，随着节流程度的增加，燃油消耗率和烟度增加；高转速小负荷工况，一定范围内通过进气节流可以实现燃油消耗率和烟度的降低。2 500 r/min，29 N·m工况，保持EGR阀全开，随着节流程度的增加，NOx和烟度出现同时下降趋势，当空气流量由191.4 kg/h降至140.6 kg/h时，燃油消耗率、NOx、烟度分别下降了7.9%，58.1%，27.3%，排温提升了42.5%。

柴油机； 低负荷； 进气节流； 废气再循环； 排温

现今为满足严格的排放法规，柴油机需要采取后处理技术[1]。无论是SCR还是DPF路线,其后处理装置在排气温度较低时都存在性能不佳的问题，SCR系统只有在排气温度达300 ℃以上才能正常工作[2-3]，DPF常借助DOC装置使排气温度升至再生温度，但是DOC本身需要在排温250 ℃左右才能开始工作。柴油机小负荷工况排温常小于200 ℃，此时缸内空气多处于过余状态，存在缸内燃烧温度低、机械效率较低，燃油消耗率高等问题。给柴油机加装节流阀是提升排温的途径之一，但会对柴油机的其他性能造成影响[4-7]。

本研究通过台架试验方法，对试验柴油机加装节流阀，针对小负荷工况，适当减少进气流量，研究进气节流对试验柴油机小负荷工况性能的影响，并结合废气再循环技术，探究小负荷工况同时降低试验柴油机燃油消耗率、NOx排放和烟度的方法。

1 试验设备与试验方法

试验设备为一台电控单体泵柴油机，其主要参数见表1。主要的测试设备仪器有DW160电涡流测功机、ET2500智能油耗仪、KISTLER 6055C缸压传感器、FLA502汽车排气分析仪、AVL439不透光烟度计、Toceil双扭空气流量计。

综合考虑发动机的低中高转速的小负荷工况，本研究选取试验柴油机1 200，1 800，2 500，2 800 r/min的12.5%和25%负荷点进行试验研究，测试进气节流对试验柴油机燃烧、油耗、排温、NOx和烟度等的影响。以试验柴油机不发生剧烈抖动和烟度剧烈上升为边界，进行进气节流。试验系统示意见图1。

表1 4JB1柴油机主要性能指标

图1 试验系统示意

2 试验结果与分析

2.1 进气节流对排温的影响

图2示出各试验工况下进气节流对排温的影响。由图2可以看出，随着节流程度的增加，各工况进气流量不断减少；经过进气节流后，试验工况的排温都能超过250 ℃。而且随着节流程度的增加，排气温度呈现明显上升的趋势，说明进气节流对提升排温的作用非常明显。这主要是由于节流减少了缸内新鲜充量，使得缸内燃烧温度升高，加上燃烧推迟，更多燃料在膨胀行程中燃烧，使得排温明显上升。

图2 进气节流对排气温度的影响

2.2 进气节流对发动机燃烧过程的影响

图3至图6示出2 500 r/min，29 N·m工况下进气节流对柴油机的缸内压力、压力升高率、缸内平均温度、放热率的影响。

图3 进气节流对缸内压力的影响

图4 进气节流对压力升高率的影响

图5 进气节流对缸内平均温度的影响

图6 进气节流对放热率的影响

由图中可以看出，随着进气流量不断地减少，缸内最高燃烧压力逐渐下降，压力升高率总体呈先上升后下降趋势，缸内平均温度逐渐升高，燃烧始点逐渐后移。该工况下，当进气流量由原机的302.8 kg/h降至160.9 kg/h时，缸内最高燃烧压力由7.08 MPa降至3.46 MPa，压力升高率大致不变，缸内平均温度由1 304 K升至1 642 K，燃烧放热率由46.2 J/(°)升至56.9 J/(°)。这主要是因为新鲜充量不断减少，缸压整体下降，燃油喷入时的压力和温度降低，使滞燃期延长，燃烧始点逐渐推后，燃烧过程大部分在膨胀冲程中完成，最高燃烧压力下降。滞燃期间形成的混合气量增加，使压力升高率峰值和放热率峰值呈现出升高趋势，而充量密度减小使缸内单位充量吸收的热量增加，导致缸内最高平均温度升高。

2.3 进气节流对换气损失和机械效率的影响

图7至图12示出进气节流对柴油机的中冷前压力、机械效率和换气损失等的影响。

图7 进气节流对中冷前压力的影响

图8 进气节流对机械效率的影响

由图7可以看出，随着节流程度的增加，中冷前压力不断降低。这主要是由于节流降低了排气流量，涡轮增压器的做功能力减弱，所以进气压力不断减少。

图8可以看出，从中低转速到中高转速，节流后的机械效率都高于节流前，这主要是由于进气节流降低了缸内压力，从而降低了燃烧指示功，而运行工况一定，所以机械效率得到提高。

图9 1 200 r/min，23 N·m工况进气节流对泵气损失的影响

图10 1 800 r/min，30 N·m工况进气节流对泵气损失的影响

图11 2 500 r/min，29 N·m工况进气节流对泵气损失的影响

图12 2 800 r/min，28 N·m工况进气节流对泵气损失的影响

图9至图12显示，低转速时进气节流使得排气冲程的压力升高明显，泵气损失加大，而高转速时， 进气节流后的排气压力并未提高，反而略有下降，相比原机这降低了泵气损失。出现这种现象的原因可能是：随着转速的增加，节流量也增加，2 500 r/min，29 N·m工况到达节流边界时，进气流量由303.8 kg/h降至160.9 kg/h，节流了47%，1 200 r/min，23 N·m工况到达节流边界时，进气流量由136.7 kg/h降至108.9 kg/h，只节流了20.3%。即高转速工况减少的新鲜充量的比例高于低转速工况，这可能导致高转速膨胀损失功的比例高于低转速，使得排气过程的压力低于原机。

2.4 进气节流对油耗的影响

图13和图14示出各试验工况进气节流对燃油消耗率的影响。

图13 进气节流对中低转速小负荷工况燃油消耗率的影响

图14 进气节流对中高转速小负荷工况燃油消耗率的影响

由图可以看出，进气节流对燃油消耗率的影响与试验柴油机的转速有关。在1 200 r/min和1 800 r/min中低转速工况，随着进气流量的减少，试验柴油机的燃油消耗率逐渐升高，经济性恶化；而在2 500 r/min和2 800 r/min中高转速, 在一定的范围内随着进气流量的减少，试验柴油机的燃油消耗率呈下降的趋势，经济性得到改善，再进一步节流，燃油消耗率上升，经济性恶化。

主要原因是：低转速时，喷油压力较低，此时燃油的雾化并不好，节流使新鲜空气不断减少，不利于混合气的形成，导致燃烧恶化，加上此时节流，泵气损失增大，故经济性下降；高转速时，泵气损失减少有助于经济性的提高，加上高转速时的喷油压力较高，此时空气量本身过剩，适当减少参与燃烧的富余空气量，可以提高燃烧效率，使经济性得到改善；再进一步加大节流度，进气氧含量的减少将导致燃烧恶化，使油耗上升。

2.5 进气节流对排放的影响

图15至图18为各试验工况进气节流对NOx排放和烟度的影响。由图可以看出，各试验工况下，随着进气流量的减少，NOx排放增加明显。进气节流对烟度的影响与转速有关，在1 200 r/min和1 800 r/min中低转速工况，随着进气流量的减少，烟度呈增加趋势；在2 500 r/min和2 800 r/min中高转速工况，随着进气流量的减少，烟度先呈下降的趋势，当节流过大时，烟度会上升。

图15 进气节流对中低转速小负荷工况NOx排放的影响

图16 进气节流对中高转速小负荷工况NOx排放的影响

图17 进气节流对中低转速小负荷工况烟度的影响

图18 进气节流对中高转速小负荷工况烟度的影响

出现这种现象的主要原因是：试验工况为小负荷工况，虽然经过进气节流，但缸内还是富氧状态，此时缸内温度是NOx形成的主导因素，节流后缸内平均燃烧温度显著上升，这为NOx的形成提供了有利条件，故NOx排放量增加显著。烟度与混合气的形成和过量空气系数有很大的关系。低转速时，较低的喷油压力加上新鲜充量的减少，不利于混合气形成，使得烟度逐渐增加。高转速时，较高的喷射压力有助于燃油雾化，而且一定的进气节流增强了气流运动，有助于混合气的形成，另一方面，滞燃期的延长使得预混合燃烧的比例增加，这有利于降低颗粒的生成，故高转速时在一定范围内烟度能得到降低，但节流过多后，缸内高温缺氧加剧，燃烧恶化，烟度转而上升。

2.6 EGR阀全开+进气节流对发动机性能的影响

高转速小负荷工况，一定范围内通过进气节流可以实现燃油消耗率和烟度降低，但NOx排放升高。而在发动机负荷很小时，EGR对柴油机油耗的影响不明显，可降低NOx排放，但会增加烟度[8]。针对这种相悖的排放趋势，在高转速小负荷节流工况引入EGR，基于EGR阀全开研究进气节流对发动机性能的影响。图19和图20示出2 500 r/min，29 N·m工况，EGR阀全开+进气节流的柴油机燃油消耗率、排温和排放的变化。

图19 EGR阀全开时进气节流对燃油消耗率和排温的影响

图20 EGR阀全开时进气节流对NOx和烟度的影响

由图可以看出：

1) 与原机相比，EGR阀全开时，空气流量由303.9 kg/h降至191.4 kg/h，燃油消耗率由473 g/(kW·h)降至435.6 g/(kW·h)，NOx排放体积分数由160×10-6降至108×10-6。烟度由0.044 m-1升至0.092 m-1。

2) 保持EGR阀全开状态，随着节流程度的增加，NOx排放和烟度出现了同时降低的趋势，继续增大节流程度，烟度转而上升，NOx排放继续下降，试验机的燃油消耗率先降低后升高，排气温度呈上升趋势。当空气流量由191.4 kg/h降至140.6 kg/h时，试验柴油机的燃油消耗率、NOx排放、烟度分别下降了7.9%，58.1%，27.3%，排温提升了42.5%。

出现NOx和烟度同时降低的趋势，原因可能是EGR的加入增加了缸内惰性气体量，使缸内充量的比热容增加，平均燃烧温度降低，而且随着节流程度的增加，新鲜充量进一步减少，使得NOx排放一直呈下降趋势。EGR和节流阀都促进了滞燃期延长，使得滞燃期期间形成的预混量增加，这促进了烟度的降低，但是当进气节流过大时，空气量的不足将会导致燃烧恶化，使得颗粒排放增加，烟度增大。

3 结论

a) 柴油机进气节流后缸内压力下降，缸内平均燃烧温度升高，滞燃期延长，燃烧始点后移，机械效率较节流前高，中低转速节流后泵气损失增加，中高转速泵气损失减小；

b) 进气节流对试验柴油机的排温和NOx排放影响明显，随着节流的增加，排气温度和NOx排放增加；

c) 中低转速小负荷工况，随着节流程度的增加，柴油机燃油消耗率和烟度增加；在中高转速小负荷工况，随着节流程度的增加，燃油消耗率和烟度呈先降低后升高的趋势；

d) 2 500 r/min，29 N·m工况，保持EGR阀全开，随着节流程度的增加，NOx排放和烟度出现同时下降趋势, 当空气流量由191.4 kg/h降至140.6 kg/h时获得比原机更低的燃油消耗率、NOx排放和烟度值。

[1] 李兴虎.汽车环境污染与控制[M]．北京：国防工业出版社，2011.

[2] 王建昕.汽车发动机原理[M]．北京：清华大学出版社，2011.

[3] 姚广涛,赵国斌,邓成林,等.进气节流对柴油机性能影响的试验研究[J]．汽车工程,2016(5):521-525.

[4] 楼狄明,徐宁,谭丕强,等. 排气和中冷前进气节流对柴油机性能和排放特性的影响[J]．内燃机工程,2016，37(4):14-19.

[5] 姚春德,傅晓光,纪兆琳. 进排气系统的阻力对车用柴油机性能影响的研究[J]．小型内燃机与摩托车,2001(5):5-7.

[7] Gabrich B,André JRS,AMD Morais,et al. Study of the throttle valve flow rate to adapt a diesel engine for operation with ethanol[C]．SAE Paper 2014-36-0137.

[8] 韩林沛,刘洪涛,孙博,等.EGR对车用柴油机性能影响的试验研究[J]．车用发动机,2012(1):51-55.

[编辑： 袁晓燕]

Effects of Intake Throttling on Low Load Performance of Diesel Engine

QIU Wei1, ZHOU Bin1, ZHANG Hao1, ZHANG Zhao1,2, HE Junjie1, YAN Jia’nan1, CHEN Yanjun1

(1. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan TOP IT Vocation Institute, Chengdu 611743, China)

Equipping diesel engine with intake throttle valve is one of the ways to raise exhaust temperature of low load conditions and improve emission, but it will affect other performances of diesel engine. In the following, the effects of intake throttling on low load performance of diesel engine were discussed. The experimental results showed that intake throttling would result in the increase of exhaust temperature and NOxemission. In addition, the in-cylinder pressure decreased, the average combustion temperature and mechanical efficiency increased, the ignition delay period extended and the combustion starting point retarded. The brake specific fuel consumption and smoke increased with the increase of throttling degree under the conditions of low load at medium and low speed, but would decrease though throttling under the conditions of low load at high speed. At speed of 2 500 r/min and torque of 29 N·m, the NOxand smoke emission of diesel engine with fully-open EGR decreased with the increase of throttling. The brake specific consumption, NOxand smoke emission decreased by 7.9%, 58.1% and 27.3% respectively and the exhaust temperature increased by 42.5% when the intake mass flow decreased from 191.4 kg/h to 140.6 kg/h.

diesel engine; low load; inlet throttling; EGR; exhaust temperature

2017-02-28；

2017-07-29

邱伟(1991—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机燃烧和排放控制；510034125@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.001

TK421.3

B

1001-2222(2017)04-0001-05